基于断面法的长江分汊河道冲淤计算方法

白亮　王伟　原松　李圣伟

摘要：长江河道槽蓄量、冲淤量计算是长江水文泥沙监测和河道演变分析研究工作信息化的重要基础。为了提高长江河道冲淤计算的准确性，在传统断面法计算的基础上，针对分汊河道平面形态，引入分汊河道分流比参数，提出了一种基于断面法的复杂河道冲淤计算方法。该方法通过组织管理长江河道水文断面数据，计算并引入分汊河道分流比，分别计算起止断面间的长江河道不同测次的河道槽蓄量、冲淤量。基于断面法，在长江水文泥沙管理信息系统GeoHydrology软件中实现了含有分汊河道的冲淤计算，可支持Excel表格方式的水文断面数据的处理和分析。结果表明：该方法对于具有分汊形态的长江河道冲淤计算是快捷和有效的，提高了长江复杂河道水文泥沙计算的准确性。

关键词：槽蓄量; 冲淤量; 断面法; 分汊河道; 长江

中图法分类号： TV147

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.10.002

0引 言

长江河道冲淤分析是通过计算河道中水体在某计算水位下的槽蓄量、冲淤量，进一步计算及绘制河道槽蓄量高程曲线图、槽蓄量沿程分布图、冲淤量高程曲线图、冲淤量沿程分布图等，是水文专业进行河道演变分析、流域开发、防洪调度及河道治理的重要工作[1]，是实现长江流域水文泥沙信息化管理的重要内容[2-3]。河道槽蓄量是指在某个测次和计算水位的河道水体体积，冲淤量则是两个测次的槽蓄量的差。因此，槽蓄量的计算是冲淤量、河道槽蓄量高程曲线图等冲淤分析及图件编绘的基础。

目前，河道槽蓄量的计算主要有断面法和地形法两种方法。断面法是计算河道槽蓄量的常用方法，它基于河道水文固定断面地形观测数据，利用数学上的梯形或截锥体积计算公式直接计算起止断面间的河道槽蓄量。地形法利用河道地形DEM 進行分析，通过计算DEM 每个三角形区域上的槽蓄量，然后求和，得到整个选定区域河道的槽蓄量。地形法充分利用精度较高的地形数据，易于实现冲淤结果的可视化，但数据的预处理比较复杂，操作步骤和过程比较麻烦，严重依赖于全流域的河道地形DEM数据。断面法计算槽蓄量和冲淤量的优点在于仅需测量河道各固定断面，测量成果不需要大量人工处理，数据处理工作量少，算法简单实用[1]。针对长江流域已建成完备的水文测站网和具备充分的固定断面数据的现状，本文着重探讨了基于断面法的全流域范围内的槽蓄量和冲淤量等的水文计算方法。

传统的断面法依赖于河道各固定断面，不支持具有洲滩、心滩等分汊形态的河道冲淤计算。长江河道全长6 300 km，跨近10个高斯3°分带，河道地形复杂，干流分汊是常见的河道形态。目前，对于河道分汊研究较多是分析其形态、冲淤机制、整治对策等，冲淤计算一般是针对特定的河段，对于长江流域长程范围内的河道冲淤计算方法研究较少。魏林云等从多个角度探讨了长江下荆江监利河段乌龟洲汊道变化的原因[4]，余梦清等分析了长江下游分汊河段支汊演变特点及整治对策[5]，金中武等总结了三峡水库淤积排沙及河型转化规律[6]，吴昌洪等基于平面二维数值模拟研究分析了长江世业洲分汊河道水流特性[7]，陈望春等采用断面法和地形法计算并对比分析了汉江下游沙洋至汉口河段槽蓄量[8]。本文在以往研究的基础上，针对含有分汊河道的长江河流形态及长程范围，通过统一组织河道及其分汊断面数据，引入计算分汊河道分流比参数，改进传统的断面法，从而计算长江干流或支流上任意起止断面间的河道槽蓄量和冲淤量，提高长江复杂河道水文计算的普适性和精度，为长江全流域复杂河流的水文泥沙计算和分析提供了有效途径。

1断面法槽蓄量和冲淤量计算

断面法冲淤计算的基本原理：通过人工将观测河道划分为若干横断面（见图1）[1]，这些断面的位置确定后一般是不变的，称为固定断面。断面法就是基于这些固定断面，通过将不同测次测量的断面地形进行套绘，使用梯形公式或截锥公式计算相邻断面间的槽蓄量，再累加计算出整个河道的槽蓄量，进而计算2个测次间的河道冲淤量。

1.1断面面积计算

固定断面的测量数据包括实测的断面起点距、河底高程拟合地形线（即断面剖面线），然后用给定的水位高程线与河底地形线求交，计算在水位线以下的断面面积。断面如果跨过心滩，则分段处理。固定断面面积计算示意图如图2所示。

2长江河道固定断面数据的组织

洲滩在长江河段中较为常见，并由此形成河流分汊，如图4所示。以三峡库区干流江津-大渡口间的大中坝汊道为例，上断面为S354，下断面为S351，在2个分汊河段上现有固定断面（主分汊上的S353、S352断面及副分汊上的S353+1、S352+1断面）。

目前，分汊河道槽蓄量计算一般采用3种方法：① 基于断面法，计算机直接使用分汊河段的上断面（S354断面）和下断面（S351断面）计算该段的槽蓄量和冲淤量，计算区域与实际河道区域（阴影部分）对比如图5所示，过水面积未考虑洲滩面积的影响，且没有充分利用分汊河段的固定断面数据。② 计算机使用汊道的上下断面与主分汊上的S353、S352断面计算该段的槽蓄量、冲淤量。由于副分汊未参与计算，导致最终槽蓄量计算结果偏小。③ 人工识别并分段计算汊道槽蓄量、冲淤量，操作繁琐，工作量较大。

针对传统断面法不能很好处理分汊河段的冲淤计算问题，本文根据多个分汊的各自分流比及其所属的分汊断面数据，综合计算复杂河段的槽蓄量和冲淤量，在一定程度上提高了长江河段水文分析计算的准确度。计算原理是：对于无洲滩的较为简单河段，采用常规断面法计算槽蓄量和冲淤量;对于洲滩区域河段，根据河段洲滩上游的上断面、下游的下断面以及分汊河段上的中间断面，引入分汊分流比参数计算上下断面在各分汊上的过水面积，再根据上下断面间的槽蓄量是各分汊槽蓄量之和，通过分别计算上下断面间各分汊河段内的槽蓄量和冲淤量，最后累加计算出该河段槽蓄量和冲淤量。

固定断面数据除了包括断面编码、断面名称、所在河流、至参考点距离、计算水位以及不同测次下的断面数据等基本信息[11]以外，本文用数字序号标识不同的分汊，对于分汊河段上的断面，增加了相对支汊端至参考点距离、汊道分流比以及汊道标识等信息。改进后的固定断面的实体关系如图6所示。

3分汊河段槽蓄量和冲淤量计算

3.1断面分级分汊规则

表1为河道断面信息表，对所有断面进行编码，包括“断面码”（断面的唯一标识）“断面名称”“河流名称”“至参考点距离”“汊道标识”“相对支汊端至参考点距离”“断面位置”“计算水位”（允许有多个计算水位）等信息，并将断面按所在河流从上游到下游的顺序排序。

（1） “汊道标识”字段用来标记河段各汊道，一般为空，表示河流上一般的固定断面，即河流没有分汊;该字段如有数字，则表示是河流分汊上的断面，使用1，2，3等数字标记不同汊道，汊道1为主分汊，其他序号表示副分汊，在同一分汊上的所有断面的“汊道标识”应相同。

（2） 如果是河流分汊上的断面，则“分流比”字段记录了所在分汊占流经所有汊道的总水量的比值，如主分汊的分流比为0.7，副分汊的分流比为0.3，一个分汊上只需保留一个分流比即可。

（3） “至参考点距离”是各断面至计算参考点的河道长度。由于多级分汊河段的长度具有较大差异，本文对于主分汊仍按一般固定断面处理，而不同副分汊上的断面则使用“相对支汊端至参考点距离”以记录副分汊河段各个断面的里程。河段上断面（如断面S354）是分汊的开始断面，河段下断面（如断面S351）是各分汊汇聚后的断面。因此，下断面不仅有在干流上的“至参考点距离”，也有在分汊上的“相对支汊端至参考点距离”，以便与分汊断面进行对比参照和计算。

3.2分汊河段分流规则

對于分汊段上的冲淤计算，源数据包括该支汊的所有断面，以及分汊河段在洲滩上游的首端断面和在洲滩下游的末端断面。为了能够计算出各支汊上的槽蓄量、冲淤量，需要引入河流水沙在各支汊的分流比参数。

3.4断面法冲淤计算模块的实现

采用上述计算方法，在长江水文泥沙管理信息系统GeoHydrology软件[13]中实现了含有分汊河道的长江河段冲淤计算，能输出相邻断面间及河道全程的槽蓄量和冲淤量。该系统支持水文泥沙数据库，也支持Excel表格方式提供水文断面数据的处理和分析。计算出的河道槽蓄量和冲淤量还可进一步用于长江河道的数值模拟和泥沙冲淤可视化展示[14-15]。

为了便于长江水文部门的快捷计算，GeoHydrology提供了Excel表格数据作为冲淤计算的源数据。将所用的固定断面以及测次水位数据存放在Excel数据文件里，可由4个表组成：“断面信息表”“第一测次”“第二测次”“库容成果”。其中：“断面信息表”如表1所列，描述了固定断面的信息（断面名称、所在河流、至参考点距离、分汊标识、分汊端距离以及不同的计算水位等）。“第一测次”和“第二测次”表里记录的是2个测次下的断面线信息，包括断面名称、测次时间、编号、断面线端点坐标、断面线测量点相对坐标列、备注等，如图7所示。“库容成果”表将存放复杂河段冲淤计算的结果，包括两个测次在不同计算水位下相邻断面间的槽蓄量、冲淤量及整个河道的槽蓄量和冲淤量等数据。

如图8所示，GeoHydrology系统提供复杂河段冲淤计算对话框，选择要计算的河流以及该河流上断面和下断面，即可计算该河流在此河段内不同计算水位及两个测次下的槽蓄量和冲淤量。

计算结果自动保存在Excel数据文件“库容成果”表中，如图9所示。针对三峡库区干流江津-大渡口间的大中坝汊道河段（从固定断面S354到S349），计算出了相邻固定断面不同计算水位下（图9中4个计算水位分别为176，179，182 m和185 m）的槽蓄量、冲淤量，以及该段槽蓄量和冲淤量统计数据，可为水文专家进行河流水文泥沙分析和决策预测提供可靠的水沙计算成果数据。

3.5与地形法槽蓄量计算的对比分析

从长江水文泥沙数据库中提取三峡库区干流江津-大渡口间的大中坝汊道河段（从固定断面S354到S349）与图9中相近时间段下的高精度实测地形数据，如图10所示。

采用地形法[1]（图10中的红色计算区域，DEM格网精度为10 m，且要剔除粉红色范围内的洲滩区域）计算该分汊河段在不同计算水位下的槽蓄量，并与本文方法进行对比（见表2）。

从表2与精度较高的地形法槽蓄量计算结果对比分析可见，本文针对分汊河段提出的断面法槽蓄量计算结果差异较小，证明了该方法的有效性。

4结 语

基于长江河道断面数据，通过对分汊河道的数据组织和管理，计算并引入分汊河道分流比参数，采用改进的断面法分别计算起止断面间的长江河道不同测次的河道槽蓄量，并计算出两个测次间的冲淤量。该方法算法简便，易于实现，精度较高，能够支持长江河道全程固定断面间包含多个分汊的河道槽蓄量、冲淤量等水文专业计算，提高了长江复杂河道水文泥沙计算的准确性，为开展长江全程水文泥沙监测和河道演变分析研究工作提供了技术支撑和信息化分析计算工具。

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（编辑：李 慧）

Abstract：The calculation of channel storage and erosion-deposition amount of the Changjiang River is an important basis for the informatization of hydrological and sediment monitoring and river evolution analysis.In order to improve the accuracy of the calculation of channel erosion-deposition amount in the Changjiang River，based on the traditional cross-section method and according to the plane shape of braided channel，a calculation method of complex channel erosion-deposition amount is proposed by introducing the parameters of the braided channel diversion ratio.By organizing and managing the hydrological section data of the Changjiang River，we calculates and introduces the diversion ratio of the braided channel by this method，calculates the channel storage and erosion-deposition amount between the start and end sections of different measurement times.Using this method，the calculation of erosion-deposition amount of the braided channel is realized in the software GeoHydrology of Information Analysis and Management System on Hydrology and Sediment of the Changjiang River，which can support the processing and analysis of hydrological section data in Excel form.The results show that this method is effective and fast for the calculation of erosion-deposition amount of the Changjiang River channel with branching shape，and can improve the accuracy of hydrological and sediment calculation for the complicated channel of the Changjiang River.

Key words：river channel storage amount;erosion-deposition amount;section method;braided channel;Changjiang River